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成果報告書詳細
管理番号20170000000145
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム プラスチック光ファイバが創る超省電力8Kネットワーク社会の実現
公開日2017/5/11
報告書年度2015 - 2016
委託先名学校法人慶應義塾大学
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約東京オリンピックの開催に向けて、次世代放送の規格開発が日本の放送関連産業の競争力強化を図ることを目的にオールジャパンの協会組織を中心に進められている。4K・8Kスーパーハイビジョンが導入されれば、通信データの大容量化も一気に加速し、家庭内・ビル内においても高速データ伝送のニーズが一段と高まることは確実である。長距離幹線系や無線通信では、圧縮技術を用いてデータを伝送しているが、いわゆる家庭内のテレビやタブレットをつなぐところでは、圧縮をかけず生の情報が行き交っている。つまり、圧縮されたデータ伝送よりも桁外れに高速な伝送がディスプレイの周辺では行われることになる。このような状況で従来の電線を使い続けると、高周波化による損失の増大に伴い膨大な消費電力が発生する。また、電磁ノイズの増大や帯域不足が見えておりもはや電気通信の領域ではない。消費電力を抑えて高速化するためには、一般家庭の隅々まで光通信が導入されることがキーであり「電気から光へのパラダイムシフト」が命題である。しかし、既存の石英系光ファイバはその優れた伝送特性により長距離幹線系で用いられている一方、家庭内においてあたりまえの簡単な抜き差しや接続、取り回しが困難で、安全面、ハンドリングの問題が障壁となっており、家庭内における実用化には至っていない。さらにコンシューマ用途では、数m以下の極めて短い距離で当たり前に光ケーブルの抜き差しが行われるため、帯域や損失よりも雑音耐性が伝送信号品質を決定する重要な特性となる。また、低コストの光モジュールが必須であるため、光アイソレータや光ファイバ端末加工による雑音対策は現実的ではなく、高精度なアラインメントが不要な高品質信号伝送技術の確立が要求される。
屈折率分布型プラスチック光ファイバ(GI型POF)は、フレキシブルかつ安全で、光ファイバの伝送可能速度の制限要因となる材料分散が石英ガラスよりも小さいというポリマー材料の本質的な特性により既存の石英系マルチモード光ファイバ(MMF)をも上回る伝送速度の実現が可能である。最近、GI型POFがこれまで見過ごされてきたミクロなポリマー材料特性に起因する雑音低減効果を有しているという新たな発見があり、GI型POFのための接続技術「ボールペン型インターコネクト」も確立しつつある。本研究課題では、(1)「低雑音超高速技術の開発(A-1)」、(2)「簡単接続インターコネクト技術の開発(A-2)」、(3)「8K映像多値伝送用GI型POFケーブルの開発(A-3)」の3つを軸に研究開発を進めることによって、GI型POFにより初めて可能となる低雑音性と簡単接続性がコンシューマ向けの8K非圧縮映像伝送において極めて大きな優位性となることを明らかにした。(1)では、家庭内のような極めて短い距離で用いられるアイソレータフリーの光リンクにおいて、低雑音性の新規GI型POFを用いることによりビット誤り率(BER)を大きく改善することに成功した。(2)では、「ボールペン型インターコネクト」において、コネクタ軸ずれにより損失が増加する一方で、雑音が低下することによりむしろBERが向上するという新しい知見が得られた。(3)では、光モジュール構成(結合光学系)を最適化することによってBERのさらなる向上が可能となることを明らかにした。以上の成果は、今後到来する8Kの時代の超省電力ネットワークの実現には、GI型POFによる8K映像伝送用インターフェースが極めて重要であることを示すものである。
英文要約Recently, ultra-high definition (UHD) displays have been rapidly developed for video formats with 4K (38402160) and 8K (76804320) resolutions. In Japan, 4K/8K broadcastings through satellites are scheduled to start, following a road map announced by the Ministry of Internal Affairs and Communications. This has accelerated research and development of 4K/8K distribution technologies toward the 2020 Tokyo Olympics and Paralympics. Current UHD displays require uncompressed video transmission with a bit rate over 100 Gb/s, suggesting that extremely high bit-rates are required even at home in the upcoming 4K/8K era. However, 8K video transmission through a conventional metal interface cable results in significant power consumption because their increased losses with an increase in frequency. Moreover, the metal interfaces are not suitable for the consumer applications because they require so many thick cables and electromagnetic interference prevention. Therefore, consumer-friendly pluggable optical interface has been highly demanded.
A graded-index plastic optical fiber (GI POF) has been a promising transmission medium for home and building networks because of its flexibility, high bandwidth, and low installation cost. Transmission speeds with a GI POF have been increased up to ~ 40 Gb/s for a length of 100 m with the development of the low-dispersive polymer whose material dispersion is lower than a silica GI multimode fiber (MMF). Recently, we demonstrated that GI POFs have noise reduction effects which are closely related to microscopic heterogeneities of the core material. These allow for a high-speed optical module without an optical isolator and angled fiber end-faces, which increase loss, production cost, and module size. Moreover, we developed consumer-friendly pluggable interconnects for GI POFs based on ballpoint-pen technologies enabling easy connection, low-cost production, and fiber end face protection of GI POFs. In this project, we have demonstrated that a low-noise and pluggable GI POF is promising candidate for in-home 8K video transmission by developing “(1) low-noise data transmission through GI POF (A-1)”, “(2) pluggable optical interconnect for GI POF (A-2)”, and “(3) GI POF cable for 8K multilevel transmission (A-3)”. In (1), we could significantly decrease bit error rate (BER) by using novel low-noise GI POF in an extremely short MMF link without an optical isolator. In (2), we could obtain novel design guideline of the ballpoint-pen interconnect that BER decreases with an increase in misalignment in spite of loss increment for rough connection of GI POFs. In (3), we demonstrated that optimization of optical module or launching condition allows for further BER improvement. These results suggest that pluggable 8K interface based on low-noise GI POF allow for realization of ultralow power consumption 8K network society.
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